特別說明：感謝大家的批評指正，已經刪除相關錯誤內容，主要是編輯的物理基礎不夠造成的，後續會加強對內容的稽核～針對演講稿內容口語化的問題，也進行了調整，再次感謝各位知友的指正，歡迎大家繼續監督！~
距離「50年」又近了一步？（手動狗頭）
剛剛跟等離子體所老師確認了，確實是2018年的舊聞。
人造太陽 受控的核聚變裝置
大家都知道太陽，太陽的能量來自內部輕核聚變，那什麽是人造太陽？人造太陽的能量來自什麽？看過鋼鐵俠的人都知道，鋼鐵俠裏面有一個人造太陽叫托卡馬克，像一個磁線圈一樣。如果把托卡馬克內的氣體加熱到上億度，它就會發生聚變，可以像太陽一樣發出巨大的能量。
那麽，現實中存在這樣的裝置嗎？答案是肯定的，現在中國就有兩個正在執行的「人造太陽」，一個在合肥，另一個在成都，分別叫東方超環和中國的環流器2號。在它們之前，還有合肥超環和中國的環流器1號，現在均已退役。
萬物生長靠太陽，地球上的生物離不開太陽，同時，太陽為人類的生產生活提供了有用的光和熱，太陽的所有能量都來源於內部的核聚變。事實上，人類已經實作了核聚變，只不過是不可控的——氫彈。氫彈爆炸的能量，就來自於內部氘和氚的聚變，但是這樣的聚變是不能輕易發生的，需要透過原子彈產生的瞬時高溫高壓將內部聚變燃料點燃，才會發生聚變爆炸，這樣的高溫需要達到一億度以上。這也是為什麽氫彈的發明不可能早於原子彈的原因。
為什麽要人造一個太陽？
那麽怎樣能夠實作人造太陽？目前情況下，目前情況下，任何容器在上億度的高溫炙烤下都會在頃刻之間煙消雲滅。於是科學家就想了一個辦法：把一團火球——上億度的等離子體，用一個磁籠約束的方法把它懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸，這個時候就可以把它加熱、控制，進而造出「太陽」。這個磁籠的模樣就像大家吃的甜圈圈，但卻是一個構造極其復雜的儀器。
用這個非常復雜的儀器把上億度的東西放在中間持續地加熱，說起來很容易，但實際操作非常難。
首先我們需要巨大的磁場，這個磁場要比地球南北極的磁場高兩萬倍以上，磁場越強越容易將聚變「火球」關起來。人類之所以沒有遭到來自太陽風以及各種高能宇宙射線的損害，主要就是靠地球磁場，把這些帶電粒子擋在了大氣層以外。在南北極看到的美麗極光，也是由於地球磁場對於高能宇宙射線的遮蔽作用。
所以現在要做的就是產生比地球磁場強度高上萬倍的磁場，讓這團「氣體」燃料（事實上，磁籠內部的是高溫等離子體，不是我們一般意義上的氣體）懸浮起來。「氣體」燃料是什麽？是海水裏面氫的同位素——氘和氚。氘和氚的比例雖然很低，但是考慮到70%以上的地球表面被海洋覆蓋，總的含量還是很高的。海水裏面的氘和氚有多少呢？它可以讓一千個電站使用上百億年，也就是說這個資源是接近無限的。如果用愛因斯坦的質能方程式 E=mc^{2} 計算的話，一杯水裏面含有的氘和氚聚變產生的能量，相當於300公升汽油燃燒所能產生的能量。
聚變儲能雖然非常高，但是實作起來卻非常困難，那我們為什麽要前方百計地去實作它呢？其中最大的原因還是出於對安全的考慮。
首先它不會產生高放射性的核廢料。我們現在用的裂變電站都是重核分裂燃料，尤其是鈾235和鈾238。裂變產物的放射性仍然很高，一旦發生事故，就會有大量半衰期長達上百萬年的放射性廢料泄露，對生態環境造成極大的破壞。
其次是它的產物非常清潔。聚變的產物是能源中子和氦氣。氦氣是非常清潔的，而且非常安全，導致事故的概率非常小。而且很多人對裂變電站可能被炸彈襲擊進而導致泄漏的憂患，對於聚變電站來說並不存在，因為聚變的產物就是氦氣，只要一停機，就沒有了。
總結一下，作為資源來講， 它是無限的，同時又是清潔的，所以長期以來被科學家認為是未來人類終極能源之一，而且是可以大規模生產的 。未來可能有20%的可再生能源，剩下的80%一定是靠聚變來維持的，是最大規模的能源供給。
一個一百萬千瓦的電站，上海一年大約只需要兩個。聚變電站需要多少燃料呢?一年一個聚變電站只需要一百公斤的重水和鋰；如果換成火電站的話,一個電站需要50萬噸煤；如果是裂變核電站的話只需要30噸裂變燃料。從安全性和能量密度來看，我們無論如何都要「造出太陽」。
這個太陽怎麽造？
「太陽」不是你說造，想造就能造。
首先你要有一個磁籠，用它把內部等離子體關起來，再用非常高的溫度把內部加熱到上億度，加熱到上億度以後就會聚變產生氦和高能中子，高能中子就跑到包層材料裏進行加熱。加熱以後，我們透過水把熱量轉換成蒸汽，再透過蒸汽把電給發出來。這就是一個簡單的聚變發電原理。
人類在這個方向一共做了50年，進展還是挺大的。我們知道，電腦每1.8年CPU的速度翻一倍，而聚變的發展速度基本上能做到跟它一樣快，甚至比它快兩個月，差不多16～17個月左右的時間，它的綜合參數效能也能夠翻一倍。
但聚變最大的問題就是離實作還很遙遠，沒有像電腦這樣早就得到廣泛的套用。不過可以說，聚變在過去50年中已經發展得非常非常快了。幾個代表性的成就是在一些已開發國家，像美國、歐洲和日本，他們在一些大裝置上都同時實作了可控的核聚變。
中國做到了輸出的能量和輸入的能量之比等於1.25，即已經有了凈輸出。這是什麽意思？就是說從科學上已經驗證了這是可行的，但是工程上可不可行還不知道。因為目前所有這些結果都是在十秒或十秒內實作的，時間非常短。那為什麽不做的時間長一些呢？這是受限於我們所用的托卡馬克裝置。
我們的磁籠子是用常規銅線做的，雖然銅線的電阻不大，但是為了實作強磁場，透過銅線的電流必須非常大，這樣銅線就會大量發熱，而這些熱都是被浪費的，這樣就無端浪費了大量的電能。怎麽才能不浪費能量呢？我們找到了超導體，如果把超導體的溫度降到臨界溫度以下，電阻就會變為零，導體就不會發熱，這樣就不會有能量被浪費掉，那麽我們就能夠實作更高的能量輸出輸入比。
說起來容易，做起來難。
托卡馬克裝置是蘇聯人發明的。上個世紀90年代初期的時候，蘇聯想做一套超導托卡馬克，把一套托卡馬克裝置有意地「送」給中國。
我們當時的所長霍裕平院士覺得這是一個很好的機會，於是就用400萬人民幣的羽絨、瓷器、中國家具，「換」來了這個1800萬盧布的托卡馬克裝置。當時1盧布相當於3.6美元，這個裝置還是非常不錯的。
（根據等離子體所官網釋出的文章【中國首個超導托卡馬克裝置「合肥超環」正式退役】http://www. ipp.ac.cn/xwdt/ttxw/201 305/t20130507_111297.html ，當時的情況是：1990年初，前蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所所長卡托姆采夫院士給等離子體所寫信，表示有意將該所停止執行的T-7托卡馬克裝置贈送給中國，時任等離子體所所長霍裕平院士獲得此信後，考慮到T-7超導線圈很適合準穩態等離子體執行，且其中的一些關鍵器材在國內當時還無法制造，但我們有能力在較短時間內將T-7改造成較好的裝置，使等離子體所在混合爐心和聚變等離子體工程研究及相關技術上較快接近世界先進水平，並快速培養人才。於是霍裕平院士與所裏同事研究，迅速做出決定，果斷接收T-7，之後該決定得到中國科學院和有關部委的大力支持。）
我們花了一年半的時間把它全部拆掉，又花了兩年的時間把它裝起來，在這上面做了大量的實驗，應該說還不錯。其他國家在同類裝置上面都只能實作幾秒鐘的高溫，而我們最多能做到一千萬度持續60秒鐘，因此這一成果成為了當年全國的十大新聞之一。
但是這還不夠，用蘇聯的托卡馬克還不能夠做到所有線圈的電阻都等於零，這時候我們就要做超導，而超導就需要低溫，低溫要達到接近絕對零度。想象一下，要把上億度的一團火球懸浮在-269℃的磁籠圈子裏面。等於說有兩個極端，一個溫度在 10^{8} K以上——一億度以上，另一個溫度是非常冷的，4K，也就是零下269℃。「冰冷的身體裏要含著一顆火一樣的內心」，這個是非常難的。
其次，一旦發生聚變的時候——比如氫彈爆炸，只要它發生爆炸，就會有強烈的沖擊波，它跟周邊材料(就是懸浮起來的也不行)就會發生強烈的相互作用，，所以控制要非常精確，精確到零點幾個毫米和零點幾個毫秒以下，否則只要一偏心，高溫等離子體碰到什麽燒什麽。
這件事真是難，難於上青天！為什麽這麽說？因為美國人在上世紀60年代就已經「上了天、登了月」，但是他們到現在也沒有做出一個能夠真正發電的人造太陽。
從需求來講，中國比任何一個國家都需要能源。 中國幾任國家領導人都覺得，這件事中國人一定要做。因此，上世紀90年代初我們提出一個想法，在全世界率先做一個全超導的托卡馬克，一個能夠長時間地做到上億度的「東方超環」。
提議透過以後，我們就開始做這樣的裝置。做這個裝置，第一就是要解決上億度和零下269度的矛盾。江澤民同誌到我們所裏調研的時候，他也問了這個問題，要怎麽解決？
想要解決上億度和零下269度的組合難題，很多技術必須要綜合運用在一起。首先，真正的上億度的高溫等離子體要用磁場把它懸浮起來，就是超導，上面全部是線圈。懸浮在中間以後，等離子體那裏有個火球——有點像鋼鐵俠那個球——溫度越高它越要到處跑。比如太陽，因為溫度高，所以會出現太陽黑子。火球在跑的過程中一定要想辦法控制住，讓它一定懸浮在中間，不能夠上下跑，精度還一定要高，控制在浮動不超過零點幾個毫米。在不亂跑的情況下，火球才不會把材料燒壞。
除此之外，過程中的能量損失的方式有傳導、對流和輻射。要實作最小的輻射損失就是全部用真空，我們 用五層真空最終實作了一億度和零下269度的結合。
因為在此之前全世界沒有人做過這樣的事，所以幾乎所有東西都需要我們自己做。當時國內的經濟不像現在這麽好，能投入到科研的經費也比較有限，萬元熙院士帶領整個團隊做了整整十年，突破了很多難點，終於在2006年得到了大概幾百萬度的高溫等離子體，但是持續時間只有幾秒鐘。
但我們想要實作的目標不只是幾百萬度的幾秒鐘，我們想做更高溫度、持續更長時間。難度在哪裏？
材料！
做聚變，幾乎要把當今地球上所有材料、技術都做到極致、用到極致。比如說，其中要采取的材料是一種最硬的合金——鎢合金。比如說，其中要采用的聚變包裹材料是一種最硬的合金——鎢合金。在這個托卡馬克空間裏，我們要在上億的溫度下讓它懸浮起來，同時還要防止聚變爆炸沖擊波。只要有沖擊波的強能量輻射，就要趕快把它拿走、抽走。這裏用的大抽速棒是零下269度的低溫棒。
還有其他的很多技術，這裏就不展開說啦。
中國聚變之路
大約在1985年，盡管還在冷戰中，列根和戈巴卓夫還是談了一件象征著人類美好前景的事情——在地球上建一個人造太陽。這個人造太陽是50萬千瓦，跟現在的發電站差不多。
這個誕生自20世紀的倡議，歷經實驗堆的研究設計、工程設計、長達5年的談判，最終於2006年簽署聯合實施協定，確定由七個國家共同參與，啟動實施計劃。大家共出資100億歐元，其中歐盟占最大一塊，45%，其他的六方——中國、日本、美國、南韓、印度各占9%，要在法國Cadarache（卡達拉舍）建造世界第一個真正意義上的人造太陽，命名為國際熱核聚變實驗堆ITER。ITER計劃執行至少20年，即需要能夠在大規模的、幾十萬千瓦的基礎上執行很長時間。這就是要驗證聚變的工程可行性。
有人可能會問，100億歐元！怎麽需要這麽多錢？舉個例子，前面我們提到，想造人造太陽，就要造磁籠，這個磁籠一共有18段，像橘子瓣一樣，一個「橘子瓣」就是一個線圈，一個線圈的重量在360噸左右。360噸是什麽概念？波音747的重量大概就是370噸，價值2.6億美元。而這一個「橘子瓣」的造價比波音747還高一點，大概是2.8億歐元。
我們的東方超環驗證的是科學實驗的可行性，ITER驗證的是真正能夠商業執行發電的核聚變堆規模到底有沒有這麽大、這麽大的規模以後行不行？這裏牽扯到特別多的技術。
這是中國參加的一個最大的國際合作專案，中國出資占9%，也是9億歐元，這是一個很大的數碼。特別是對於當時中國的經濟來說，是非常大的一筆錢。但我們還是參加了，而且覺得對我們的發展起到了促進作用。
第一個例子。我們國家在參加ITER之前是生產短樣超導線材的。繞這麽一個線圈，裏面要重達150噸、將近十萬米的導線，還要一氣呵成不能斷。在參加這個國際合作之前，我們四十年之間只產生了36公斤短樣超導線材。
而參加ITER後，在需求引導下，國內企業發展得非常好，已經擁有了全世界最先進的技術，規模和產量也是最大的。西安的有色金屬研究院下的西部超導公司現在一年可以生產150噸超導線材；除此之外，國內的核磁共振、GE的所有線幾乎超過一半都是由ITER的國內材料供應商在供應；還有中國航母的殲15的起落架，飛機落地的一剎那沖擊力非常大，所以對材料的要求非常之高，用ITER上面的材料終於解決了航母艦載機的起落架的問題。
第二個例子。剛才說的上億度的東西的第一層遮蔽叫核導，長得像多腳的怪獸一樣。它有多重？一百年前建成的埃菲爾鐵塔是7300噸，而這個有8000噸，當然，這種材料的制造也比一般的鋼鐵要難得多。這是一種特殊的不銹鋼，首先要耐極低溫（零下269度），還要耐強輻射。在參加ITER之前，我們從來沒有生產過這樣的材料。參加ITER之後，透過跟國際合作，山西太鋼現在可以年產15000噸這樣的材料，企業因此得到了很大的發展。
盡管聚變能離我們還是很遙遠，但是透過國際合作，中間產生的過程和技術都能夠非常好地用在國民經濟上。
未來中國的聚變到底怎麽做？
未來中國的聚變到底怎麽做？咱們的聚變到底什麽時候才能實作？
對中國來講，我們對聚變的需求比任何一個國家都急迫。我們現在正在做實驗裝置、參加ITER，但是希望十年以後能建造中國自己的工程堆，這樣才能夠驗證發電。有了這個東西以後，再去謀求商用化。
這是我們設計的中國工程聚變堆，裏面有一個主機裝置。這個設計象征著大鵬展翅騰飛，象征著人類追求聚變的夢想，象征中華民族騰飛的夢想。
經過二三十年的努力，真正的人造太陽會冉冉升起。
1982年，我到了合肥一座非常偏僻的島上——董鋪島，一做就是34年。非常有幸的是，數位黨和國家領導人都曾來過現場參觀指導，這給了我們科學家很高的鼓勵，他們都說過同樣一句話——中國需要能源，中國一定要在人類實作這種聚變的路上起到不可取代的作用。
最後，我想分享一些我的體會和願望。
這是從衛星上拍得一張地球的片子。
大家可以看到美國、歐洲、日本都很亮，為什麽？因為他們已經是已開發國家，已經被過去的文明所照耀，但還有很多地方沒那麽亮。
50年前，人類就有個夢想，希望實作人造太陽。我也有這個夢想，希望在我的有生之年，能夠做這麽一個人造太陽，讓那些沒有還沒被照亮的地方，被聚變能點亮。
以上回答整理自中國工程院院士李建剛2016年在SELF格致論道講壇的演講，內容有編輯。
出品：SELF格致論道
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